تعليمعلوم

كيف يصنع البلاستيك.

مقدمة.

يمكن أن يكون البلاستيك إما “اصطناعياً” أو “قائم على أساس حيوي”. يتم اشتقاق اللدائن الاصطناعية من النفط الخام أو الغاز الطبيعي أو الفحم. بينما يأتي البلاستيك الحيوي من المنتجات المتجددة مثل الكربوهيدرات والنشا والدهون والزيوت النباتية والبكتيريا والمواد البيولوجية الأخرى.

الغالبية العظمى من البلاستيك المستخدم اليوم اصطناعي بسبب سهولة طرق التصنيع المستخدمة في معالجة النفط الخام. ومع ذلك ، فإن الطلب المتزايد على احتياطيات النفط المحدودة يدفع بالحاجة إلى مواد بلاستيكية أحدث من موارد متجددة مثل نفايات الكتلة الحيوية أو منتجات النفايات الحيوانية من الصناعة.

ما هو أول بلاستيك من صنع الإنسان؟

استخدمت ثقافات الميزو الأمريكية (أولمك ، مايا ، أزتيك ، 1500 قبل الميلاد) اللاتكس الطبيعي والمطاط لصنع الحاويات والملابس مقاومة للماء.

حصل ألكسندر باركس (المملكة المتحدة ، 1856) على براءة اختراع لأول بلاستيك حيوي من صنع الإنسان ، يسمى باركيسين ، مصنوع من نترات السليلوز. كان باركسين من البلاستيك الصلب والمرن والشفاف. حقق جون ويسلي حياة (الولايات المتحدة ، ستينيات القرن التاسع عشر) ثروة من اختراع باركس. قام الأخوان حياة بتحسين مرونة نترات السليلوز في البلاستيك عن طريق إضافة الكافور وإعادة تسمية البلاستيك باسم السيلولويد. كان الهدف هو إنتاج كرات البلياردو ، والتي كانت حتى ذلك الحين تصنع من العاج. يعتبر الاختراع أقدم مثال على البلاستيك الحيوي من صنع الإنسان من قبل الكثيرين.

كان أول بلاستيك اصطناعي حقيقي هو الباكليت المصنوع من الفينول وراتنج الفورمالديهايد. اخترع Leo Baekeland (بلجيكا ، 1906) الباكليت التي تمت صياغتها على أنها “ معلم كيميائي تاريخي وطني لأنها أحدثت ثورة في كل صناعة موجودة في الحياة الحديثة. تتميز بمقاومة عالية للكهرباء والحرارة والمواد الكيميائية. لها خصائص غير موصلة ، وهو أمر ضروري للغاية عند تصميم الأجهزة الإلكترونية مثل أغلفة الراديو والهاتف.

ما هو المكون الرئيسي في البلاستيك؟

المكون الرئيسي في معظم المواد البلاستيكية مشتق من النفط الخام والغاز الطبيعي.

هناك العديد من الأنواع المختلفة من البلاستيك – شفاف ، غائم، صلب اللون ، مرن ، صلب ، ناعم ، إلخ.

غالباً ما تكون المنتجات البلاستيكية عبارة عن راتينج بوليمر يتم خلطه بعد ذلك بمزيج من المواد المضافة . تعتبر المواد المضافة مهمة حيث يتم استخدام كل منها لتزويد البلاستيك بخصائص مثالية مستهدفة مثل المتانة والمرونة واللون أو لجعلها أكثر أماناً وصحة لاستخدامها في تطبيق معين .يمكن تحديد نوع البلاستيك الذي يصنع منه المنتج أحياناً من خلال النظر إلى الرقم الموجود أسفل الحاويات البلاستيكية.

خطوات اشتقاق البلاستيك.

يتم اشتقاق معظم البلاستيك المستخدم اليوم من خلال الخطوات التالية:

١. استخراج المواد الخام (النفط الخام والغاز الطبيعي إلى حد كبير ، ولكن أيضاً الفحم) – هذه خليط معقد من آلاف المركبات التي تحتاج بعد ذلك إلى المعالجة.

٢. تحول عملية التكرير النفط الخام إلى منتجات بترولية مختلفة – يتم تحويلها لإنتاج مواد كيميائية مفيدة بما في ذلك “المونومرات” (جزيء هو اللبنات الأساسية للبوليمرات). في عملية التكرير ، يتم تسخين الزيت الخام في فرن ، ثم يتم إرساله إلى وحدة التقطير ، حيث ينفصل الزيت الخام الثقيل إلى مكونات أخف تسمى الكسور. واحدة من هذه ، تسمى النفتا، وهي المركب الأساسي لصنع كمية كبيرة من البلاستيك. ومع ذلك ، هناك وسائل أخرى ، مثل استخدام الغاز.

٣. البلمرة هي عملية في صناعة البترول حيث يتم تحويل غازات الأوليفين الخفيفة (البنزين) مثل الإيثيلين والبروبيلين والبوتيلين (أي المونومرات) إلى هيدروكربونات ذات وزن جزيئي أعلى (بوليمرات). يحدث هذا عندما يتم ربط المونومرات كيميائياً في سلاسل.

توجد آليتان مختلفتان للبلمرة:

▪️ إضافة البلمرة :يحدث تفاعل البلمرة الإضافي عندما يتصل أحد المونومر بالآخر التالي (الثنائى) والثنائى بالآخر (المشذب) وما إلى ذلك. يتم تحقيق ذلك عن طريق إدخال محفز ، عادةً ما يكون بيروكسيد. تُعرف هذه العملية باسم بوليمرات النمو المتسلسل – حيث تضيف وحدة مونومر واحدة في كل مرة. ومن الأمثلة الشائعة على إضافة البوليمرات البولي إيثيلين والبوليسترين والبولي فينيل كلوريد.

▪️ بلمرة التكثيف : تتضمن بلمرة التكثيف الانضمام إلى اثنين أو أكثر من المونومرات المختلفة ، عن طريق إزالة الجزيئات الصغيرة مثل الماء. كما يتطلب أيضاً محفزاً لحدوث التفاعل بين المونومرات المجاورة. يُعرف هذا باسم خطوة النمو ، لأنه يمكنك على سبيل المثال إضافة سلسلة موجودة إلى سلسلة أخرى. من الأمثلة الشائعة على بوليمرات التكثيف البوليستر والنايلون.

٤. يضاعف / معالجة. في عملية التركيب ، يتم خلط خلطات مختلفة من المواد (مختلطة بالذوبان) لصنع تركيبات للبلاستيك. بشكل عام ، يتم استخدام جهاز بثق من نوع ما لهذا الغرض والذي يتبعه تكوير الخليط. ثم يقوم البثق أو عملية التشكيل المختلفة بتحويل هذه الكريات إلى منتج نهائي أو نصف نهائي. غالباً ما يحدث التراكب على آلة بثق ثنائية اللولب حيث تتم معالجة الكريات بعد ذلك إلى أجسام بلاستيكية ذات تصميم فريد ، وحجم وشكل ولون مختلفين بخصائص دقيقة وفقاً للشروط المحددة مسبقاً في آلة المعالجة.

كيف يتكون البلاستيك الاصطناعي من النفط الخام؟

يأتي البلاستيك الصناعي من البتروكيماويات. عندما يتم تحديد مصدر النفط تحت سطح الأرض ، يتم حفر ثقوب من خلال الصخور في الأرض لاستخراج النفط.

استخراج النفط – يُضخ النفط من باطن الأرض إلى السطح حيث تُستخدم الصهاريج لنقل النفط إلى الشاطئ. يمكن أيضاً إجراء التنقيب عن النفط تحت المحيط باستخدام الدعم من المنصات. يمكن أن تنتج المضخات ذات الأحجام المختلفة ما بين 5 – 40 لتراً من الزيت لكل شوط .

تكرير النفط – يُضخ النفط عبر خط أنابيب يمكن أن يبلغ طوله آلاف الأميال وينقل إلى مصفاة لتكرير النفط . يمكن أن يكون لانسكاب النفط من خط الأنابيب أثناء النقل عواقب بيئية فورية وطويلة الأجل ، ولكن توجد تدابير السلامة لمنع وتقليل هذه المخاطر.

تقطير النفط الخام وإنتاج البتروكيماويات – الزيت الخام عبارة عن خليط من مئات الهيدروكربونات التي تحتوي أيضاً على بعض المواد الصلبة وبعض الهيدروكربونات الغازية المذابة فيه من عائلة الألكان (بشكل أساسي هو CH 4 و C 2 H 6 ، ولكن يمكن أن يكون كذلك C 3 H 8 أو C 4 H 10). يسخن الزيت الخام أولاً في الفرن ثم يتم تغذية الخليط الناتج كبخار إلى برج التقطير التجزيئي. يفصل عمود التقطير التجزيئي الخليط إلى أجزاء مختلفة تسمى الكسور. يوجد تدرج في درجة الحرارة في برج التقطير حيث يكون الجزء العلوي أبرد من القاعدة. يتم فصل خليط من كسور السائل والبخار في البرج اعتماداً على وزنها ونقطة الغليان (نقطة الغليان هي درجة الحرارة التي يتحول فيها الطور السائل إلى غازي). عندما تتبخر الأبخرة وتلتقي بكسر سائل تقل درجة حرارته عن درجة غليان البخار ، فإنه يتكثف جزئياً . تتكثف أبخرة النفط الخام المتبخر عند درجات حرارة مختلفة في البرج. أبخرة (غازات) من أخف الكسور (بنزين وغاز البترول) ، تتدفق إلى أعلى البرج ، الأجزاء السائلة ذات الوزن المتوسط ​​(الكيروسين ونواتج تقطير زيت الديزل) ، باقية في الوسط ، السوائل الثقيلة (تسمى زيوت الغاز) تنفصل إلى أسفل ، بينما تبقى الأجزاء الثقيلة (المواد الصلبة) ذات أعلى نقاط الغليان في قاعدة البرج. يحتوي كل جزء في العمود على هيدروكربونات مع عدد مماثل من ذرات الكربون ، والجزيئات الأصغر تتجه نحو الأعلى والجزيئات الأطول بالقرب من أسفل العمود . بهذه الطريقة ، يتحلل البترول إلى غاز البترول ، والبنزين ، والبارافين (الكيروسين) ، والنفتا ، والزيت الخفيف ، والزيت الثقيل ، إلخ.

بعد خطوة التقطير ، يتم تحويل الهيدروكربونات طويلة السلسلة التي تم الحصول عليها إلى هيدروكربونات يمكن تحويلها بعد ذلك إلى العديد من المواد الكيميائية المهمة التي نستخدمها لإعداد مجموعة واسعة من المنتجات القابلة للتطبيق من البلاستيك إلى المستحضرات الصيدلانية.

تكسير الهيدروكربون هو العملية الرئيسية التي تكسر خليط الهيدروكربونات المعقدة إلى ألكانات / ألكانات ذات كتلة جزيئية منخفضة نسبية أبسط (بالإضافة إلى المنتجات الثانوية) عن طريق درجات الحرارة المرتفعة والضغط.

يمكن إجراء التكسير بطريقتين:

التكسير بالبخار والتكسير التحفيزي.

يستخدم Steam cracKing درجة حرارة عالية وضغطاً لكسر سلاسل الهيدروكربونات الطويلة بدون محفز ، بينما يضيف التكسير التحفيزي محفزاً يسمح للعملية بالحدوث في درجات حرارة وضغوط منخفضة.

المواد الخام المستخدمة في صناعة البتروكيماويات هي النفتا والغاز الطبيعي بشكل أساسي من عملية تكرير النفط في اللقيم البتروكيماوي. يستخدم التكسير بالبخار المواد الأولية من خليط الهيدروكربونات من أجزاء مختلفة مثل الغازات المتفاعلة (الإيثان أو البروبان أو البوتان) من الغاز الطبيعي ، أو السوائل (النفثا أو زيت الغاز ) .

(النفتا عبارة عن خليط من هيدروكربونات C 5 إلى C 10 يتم الحصول عليها من تقطير النفط الخام).على سبيل المثال ، يتم تكسير هيدروكربون الديكان إلى منتجات مثل البروبيلين والهبتان حيث يتم استخدام الأول لصنع بولي (بروبيلين).

يتم تحويل جزيئات المواد الخام إلى مونومرات مثل الإيثيلين والبروبيلين والبيوتين وغيرها. تشتمل كل هذه المونومرات على روابط مزدوجة بحيث يمكن لذرات الكربون أن تتفاعل لاحقًا لتشكيل بوليمرات.

البلمرة – يتم بعد ذلك ربط مونومرات الهيدروكربون معاً بواسطة آلية البلمرة الكيميائية لإنتاج البوليمرات. تنتج عملية البلمرة مواد سميكة ولزجة مثل الراتنجات ، والتي تستخدم في صنع منتج بلاستيكي. إذا نظرنا إلى حالة مونومر الإيثيلين هنا ؛ الإيثيلين هو هيدروكربون غازي. عندما تتعرض للحرارة والضغط ومحفز معين ، فإنها تنضم معاً في سلاسل كربون طويلة متكررة. هذه الجزيئات المرتبطة (البوليمر) عبارة عن راتنج بلاستيكي يُعرف باسم البولي إيثيلين (PE ).

تتم معالجة إنتاج البولي إيثيلين البولي (الإيثيلين) في مصنع لصنع كريات بلاستيكية. تُسكب الكريات في مفاعل ، وتُذاب في سائل سميك لتُصب في قالب. يبرد السائل ليتحول إلى بلاستيك صلب وينتج منتجاً نهائياً . تشمل معالجة البوليمر أيضاً إضافة الملدنات والأصباغ والمواد الكيميائية المثبطة للهب.

أنواع البلمرة.

يتكون البلاستيك الاصطناعي من تفاعل يُعرف باسم البلمرة، ويمكن إجراؤه بطريقتين مختلفتين:

▪️ إضافة البلمرة : يشمل التخليق إضافة مونومرات معاً في سلسلة طويلة. يتصل أحد المونومر بالآخر وما إلى ذلك ، عندما يتم إدخال محفز ، في عملية تُعرف باسم بوليمرات النمو المتسلسل ، مع إضافة وحدة مونومر واحدة في المرة الواحدة. تعتبر بعض تفاعلات البلمرة الإضافية لا تخلق أي نواتج جانبية ويمكن إجراء التفاعل في طور البخار (أي الطور الغازي) المشتت في سائل.

أمثلة: البولي إيثيلين والبولي بروبيلين والبولي فينيل كلوريد والبوليسترين.

▪️ بلمرة التكثيف : في هذه الحالة ، يتحد اثنان من المونومرات لتشكيل ثنائي (وحدتان) عن طريق إطلاق منتج ثانوي. يمكن بعد ذلك الانضمام إلى Dimers لتشكيل رباعي (أربع وحدات) وما إلى ذلك. هذه المنتجات الثانوية ضرورية لإزالتها لنجاح التفاعل. المنتج الثانوي الأكثر شيوعاً هو الماء ، والذي تتم معالجته والتخلص منه بسهولة. يمكن أن تكون المنتجات الثانوية أيضاً مواد خام قيمة يتم إعادة تدويرها مرة أخرى في تيار التغذية.

أمثلة: النايلون (بولي أميد) والبوليستر والبولي يوريثين.

كيف يتكون البلاستيك من النافتا؟

غالباً ما يصنع البلاستيك من النفتا. الإيثيلين والبروبيلين ، على سبيل المثال ، هما المادة الخام الرئيسية للبلاستيك الزيتي القادم من النفثا.

ما هي النفتا؟

هناك أنواع مختلفة من النفثا. وهو مصطلح يستخدم لوصف مجموعة من المخاليط المتطايرة من الهيدروكربونات السائلة ، والتي يتم الحصول عليها عن طريق تقطير النفط الخام. إنه خليط من C 5 إلى C 10 هيدروكربونات.

يتحلل النافتا حرارياً عند درجة حرارة عالية (~ 800 درجة مئوية) في جهاز تكسير بخاري في وجود بخار الماء حيث ينقسم إلى هيدروكربونات خفيفة تُعرف بالوسطاء الرئيسيين. هذه هي الأوليفينات والعطريات. من بين الأوليفينات ، يوجد C 2 (إيثيلين) ، C 3 (بروبيلين) ، C 4(البيوتان والبوتادين). تتكون العطريات من البنزين والتولوين والزيلين. ترتبط هذه الجزيئات الصغيرة معاً في سلاسل جزيئية طويلة تسمى البوليمرات. عندما يخرج البوليمر من المصنع الكيميائي فإنه لا يزال ليس في شكل بلاستيك – فهو في شكل حبيبات أو مساحيق (أو سوائل). قبل أن يصبحوا بلاستيكاً للاستخدام اليومي ، يحتاجون إلى الخضوع لسلسلة من التحولات. يتم تعجنها وتسخينها وصهرها وتبريدها إلى أجسام مختلفة الأشكال والحجم واللون بخصائص دقيقة وفقاً لأنابيب المعالجة.

على سبيل المثال ، من أجل بلمرة الإيثيلين إلى بولي إيثيلين (PE) ، تتم إضافة البادئات لبدء التفاعل المتسلسل ، فقط بعد تكوين البولي إيثيلين ، يتم إرساله للمعالجة بإضافة بعض المواد الكيميائية (مضادات الأكسدة والمثبتات). بعد ذلك يقوم الطارد بتحويل البولي إيثيلين إلى سلاسل ، وبعد ذلك تقوم المطاحن بتحويلها إلى كريات البولي إيثيلين. ثم تقوم المصانع بصهرها وتحويلها إلى منتجات نهائية.

المراجع :

Payal Baheti, “How Is Plastic Made? A Simple Step-By-Step Explanation”، www.bpf.co.uk

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى